DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE

Le domaine technique de l'invention est la fabrication de lingots suite à une coulée d'un alliage liquide.

ART ANTERIEUR

Au cours d'une coulée verticale, visant à former un lingot, la solidification d'un métal ou d'un alliage métallique est affectée par des phénomènes dits de ségrégations macroscopiques. Lors du refroidissement du métal, des courants de convection se forment, engendrant des vortex de recirculation, ces derniers étant à l'origine de ségrégations macroscopiques lorsque leur durée de vie est du même ordre de grandeur que les durées caractéristiques de solidification. Ces phénomènes conduisent, dans le lingot solidifié, à un appauvrissement local ou à un enrichissement local en espèces chimiques. Ces ségrégations macroscopiques, ou macroségrégations, sont à l'origine d'hétérogénéités dans la composition du lingot.

Une macroségrégation bien connue de l'homme du métier est la macroségrégation centrale négative, résultant d'un appauvrissement en éléments d'alliage eutectiques, le long d'un axe central vertical du lingot. Ces macroségrégations ont été décrites dans l'ouvrage de John Wiley et al « Direct-Chili Casting of light alloys », Editeur Wiley, septembre 2013, pp 158 - 172. Les principaux mécanismes à l'origine de la macroségrégation centrale décrits dans cet ouvrage sont

• La convection thermosolutale dans le marais causée par les gradients de température et de concentration, et la pénétration de ces écoulements convectifs dans la zone pâteuse ;

• Le transport de grains dans la zone en surfusion sous l'effet de la gravité, de la force d'Archimède et de la convection naturelle ou forcée ;

• L'écoulement dans la zone pâteuse suscité par le retrait volumétrique à solidification, qui peut être assisté par la pression métallostatique ;

• L'écoulement du liquide dans la zone pâteuse causé par des déformations mécaniques ; • Les écoulements forcés qui peuvent résulter de la verse, de l'injection ou d'un dégagement de gaz, d'un brassage, d'une vibration, etc. qui pénètrent dans la zone en surfusion et dans la zone pâteuse et modifient la direction des mouvements de convection.

Il s'agit d'une macroségrégation continue, ce terme désignant le fait que la macroségrégation a lieu de façon continue sur tout ou partie de la hauteur du lingot, en d'autres termes qu'elle est essentiellement uniforme selon l'axe de coulée.

Le phénomène de macroségrégation intermittente a été moins souvent décrit dans la littérature et se traduit par la formation de bandes en forme de V de part et d'autre de la macroségrégation centrale négative. Ces bandes en forme de V sont alternativement enrichies et appauvries en éléments d'alliage eutectique et péritectique. Ces bandes sont observables en effectuant des radiographies aux rayons X de tranches verticales de lingots, typiquement dans le plan L/TC à mi-largeur, lorsque les éléments ségrégés absorbent les rayons X de manière différenciée des atomes du métal composant le lingot. Les directions L, TC et TL sont définies par rapport aux directions du lingot de forme parallélépipédique. La direction L correspond à la direction de coulée, la direction TC correspond à la direction parallèle à la plus petite dimension du lingot, aussi appelée épaisseur et la direction TL étant la troisième direction, aussi appelée direction transverse. D'autres moyens permettent de visualiser ce phénomène, par exemple l'échographie ou l'observation à l'œil nu de tranches verticales anodisées, du fait de la différence de réflectivité optique entre les zones enrichies ou appauvries en éléments d'alliage. Généralement, la macroségrégation intermittente est la plus marquée au voisinage de la région T/2.5, et typiquement entre T/2.3 et T/3.3, la région T/2 correspondant à l'axe central du lingot. Selon une nomenclature connue de l'homme du métier, le terme T/n, ou n est un nombre positif, désigne une région située à une distance T/n d'un bord du lingot, où T désigne une épaisseur du lingot.

Les macroségrégations intermittentes périodiques apparaissent très tôt après le démarrage de coulée, dès qu'un front incliné est formé entre une zone solide et une zone liquide. Elles sont observées dans tous les cas de coulée d'alliages d'aluminium chargés typiquement selon des formats d'épaisseur supérieure à 300mm, ce seuil d'épaisseur dépendant lui-même de la vitesse de coulée.

La publication R.C Dorward et al. « Banded ségrégation patterns in DC cast AlZnMgCu alloy ingots and their effect on plate properties » Aluminium, 1996, 72. Jahrgang, 4, p.251-259 décrit la formation de bandes de ségrégations intermittentes dans un alliage 7000. Selon ces auteurs, ce phénomène est dû à des avalanches de grains déclenchées périodiquement par des oscillations convectives du marais, c'est-à-dire la phase liquide du métal, en lien avec un mécanisme d'émission de tourbillons. Cet article montre notamment que la macroségrégation intermittente peut être à l'origine de variations des propriétés mécaniques, par exemple de la ténacité, sur les tôles obtenues à partir des produits bruts de coulée. Il est donc avantageux de trouver un procédé de coulée qui supprimerait ces macroségrégations intermittentes.

La réduction ou la suppression des macroségrégations continues, par exemple la macroségrégation centrale, a déjà été décrite. En particulier on a montré que l'application d'un champ magnétique, à des fins de brassage ou de freinage des écoulements, permettait de limiter l'apparition de macroségrégations continues. Le document US5375647 décrit par exemple un procédé de réduction de macroségrégation centrale survenant lors de la coulée d’un lingot d’alliage métallique. Ce procédé comprend l'application, lors du refroidissement, d'un champ magnétique statique généré par au moins une bobine parcourue par un courant continu.

Les inventeurs ont considéré que les procédés précédemment décrits ne permettent pas de réduire efficacement l'apparition de macroségrégations intermittentes. Ils proposent un procédé permettant de limiter la formation de telles ségrégations , voire à les éliminer, de façon à mieux maîtriser les propriétés mécaniques des produits issus de la coulée.

EXPOSE DE L’INVENTION

Un premier objet de l’invention est un procédé pour former un lingot d’alliage d’aluminium dans une lingotière, la lingotière définissant un parallélépipède, de telle sorte que le lingot formé s'étend parallèlement à un axe longitudinal, selon une largeur et parallèlement à un axe transversal, selon une épaisseur, l'épaisseur étant inférieure à la largeur, le lingot définissant un plan médian s'étendant selon la mi-épaisseur, parallèlement à l'axe longitudinal, le procédé comportant les étapes suivantes :

préparation de l'alliage d'aluminium liquide ;

coulée de l'alliage d'aluminium liquide dans la lingotière, selon un axe vertical, l'alliage étant refroidi, au cours de la coulée, par un ruissellement d'un liquide refroidisseur au contact de la lingotière et/ou de l'alliage, de façon à former un alliage solide, s'étendant autour d'un alliage liquide, dit marais, l'alliage solide formant un front à l'interface avec le marais, le front étant incliné selon un angle d'inclinaison, par rapport à l'axe vertical, l'angle d'inclinaison du front variant selon l'axe transversal; déplacement de l'alliage solide, selon l'axe vertical, selon une vitesse de coulée;

au cours de la coulée, application d'un champ magnétique glissant dont l'amplitude est variée périodiquement selon une fréquence, le champ magnétique étant généré par au moins un générateur de champ magnétique disposé à la périphérie de la lingotière, de façon à appliquer une force de Lorentz en différents points du marais, la force de Lorentz moyenne, durant une période, du champ magnétique, étant inclinée par rapport à l'axe vertical selon un angle d'inclinaison, dit angle d'inclinaison de la force de Lorentz, ce dernier variant selon l'axe transversal ;

le champ magnétique glissant se propageant selon un axe de propagation parallèle à l'axe vertical;

le marais comportant une zone médiane, s'étendant symétriquement de part et d'autre du plan médian, dont l'épaisseur correspond à une demi-épaisseur du lingot ;

le procédé étant caractérisé en ce que :

- la fréquence est inférieure à 5 Hz ;

- et en ce que la vitesse de coulée et la fréquence sont adaptées de telle sorte que dans la zone médiane du marais, à l'interface entre l'alliage liquide et l'alliage solide, au niveau du front, l'angle d'inclinaison de la force est strictement inférieur à l'angle d'inclinaison du front ;

de telle sorte que dans toute la zone médiane, la force de Lorentz agit sur l'alliage liquide, au niveau de l'interface, en le plaquant contre le front.

Autrement dit, si T/2 désigne la moitié de l'épaisseur du lingot, l'effet technique de plaquage est obtenu entre T/2 - T/4 et T/2 + T/4.

Par force de Lorentz moyenne durant une période, on entend une force de Lorentz déterminée selon un intervalle temporel correspondant à l'inverse de la fréquence.

De manière préférée, un seul champ magnétique glissant dont l'amplitude est variée périodiquement selon une fréquence est appliqué. C'est-à-dire que pendant plusieurs périodes successives, un seul magnétique glissant est appliqué dont l'amplitude est variée périodiquement selon une seule fréquence.

Le procédé permet d’obtenir une réduction significative des macro-ségrégations intermittentes dans la zone médiane. Dans la zone médiane, l'angle d'inclinaison du front est compris entre 0° et 90°. Plus il est faible, plus le front est orienté parallèlement à l'axe vertical. Il en est de même de l'angle de la force de Lorentz. Une valeur d'angle de 0° correspond à une orientation verticale.

De préférence, l'angle d'inclinaison de la force de Lorentz moyenne est inférieur, d'au moins 4°, à l'angle d'inclinaison du front, de telle sorte que la force de Lorentz moyenne est plus inclinée, vers la verticale ou axe vertical (Z), que le front.

De préférence, la fréquence est inférieure à 2 Hz ou inférieure à 1 Hz. De préférence, la vitesse de coulée est inférieure à 45 mm/minute ou à 40 mm/minute.

Selon un mode de réalisation, la vitesse de coulée et la fréquence sont adaptées de telle sorte que dans la zone médiane du marais, dans une couche d'interface entre l'alliage liquide et le front, l'angle d'inclinaison de la force de Lorentz moyenne est strictement inférieur à l'angle d'inclinaison du front, la couche d'interface présentant une épaisseur, selon une direction perpendiculaire au front, inférieure à 2cm ou à 1 cm ou à 5 mm.

De préférence, le champ magnétique est modulé, à la fréquence, entre une valeur minimale et une valeur maximale. De préférence, la valeur minimale et maximale sont constantes pendant plusieurs périodes successives. Ainsi, la force de Lorentz moyenne est constante durant plusieurs périodes successives, par exemple durant au moins 10 périodes successives.

L'alliage d'aluminium peut notamment être choisi parmi les alliages de type 2XXX, 6XXX ou 7XXX.

Avantageusement, l'épaisseur de la lingotière est supérieure à 300 mm. Avantageusement, l'épaisseur du lingot est supérieure à 300 mm.

Le procédé peut comporter, préalablement à la coulée, une modélisation de la force de Lorentz s'appliquant en au moins un point du front, de manière à définir, compte tenu de l'épaisseur de la lingotière, une valeur de fréquence et/ou une valeur de vitesse de coulée permettant l'obtention d'une force de Lorentz moyenne, dont l'angle d'inclinaison par rapport à la verticale, est inférieur à l'angle, au dit point, formé par le front par rapport à la verticale. De préférence, cette modélisation est effectuée en différents points, le long du front, selon l'axe transversal. La modélisation peut permettre de définir une valeur de fréquence et/ou une valeur de vitesse de coulée permettant l'obtention d'une force de Lorentz moyenne dont l'angle d'inclinaison, par rapport à la verticale, est inférieur de 4° à l'angle d'inclinaison formé par le front par rapport à la verticale. Un deuxième objet de l'invention est un lingot, notamment un lingot en alliage d'aluminium, obtenu par un procédé selon le premier objet de l'invention.

Le lingot obtenu par un procédé selon le premier objet de l'invention est caractérisé par un critère d'intensité spectrale (z) inférieur à 0.01, de préférence inférieur à 0.007 et de manière préférée inférieur à 0.005. Ledit critère d'intensité spectrale étant calculé en :

- Déterminant une amplitude maximale d'une transformée de Fourier d'un profil représentatif d'une macroségrégation intermittente d'un élément dont la teneur en poids est supérieure à 0.5% ou la somme de plusieurs éléments de l'alliage dont la teneur individuelle est supérieure à 0.5%, le profil étant établi selon ladite direction TC, ladite amplitude maximale étant déterminée dans une plage de périodes spatiales comprise entre 8 et 25 mm,

- normalisant ladite amplitude maximale par une concentration nominale Co dudit élément ou par la somme des concentrations nominales des différents éléments considérés.

D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et représentés sur les figures listées ci-dessous.

FIGURES

Les figures IA à 1D illustrent un exemple de dispositif permettant une mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention. Les figures IA et IB présentent les principaux composants du dispositif. Les figures IC et 1D représentent respectivement une distribution spatiale et temporelle de l'amplitude d'un champ magnétique glissant, selon un exemple de réalisation.

La figure 2 illustre une force de Lorentz moyenne, s'appliquant sur une partie du marais d'une coulée, mettant en oeuvre l'invention.

Les figures 3A, 3B, 3C et 3D montrent des résultats de simulations permettant d'obtenir l'orientation d'une force de Lorentz moyenne dans le marais, au niveau du front, respectivement à différentes fréquences, pour une vitesse de coulée de 55 mm par minute.

Les figures 3E, 3F, 3G et 3H montrent des résultats de simulations permettant d'obtenir l'orientation d'une force de Lorentz moyenne dans le marais, au niveau du front, respectivement à différentes fréquences, pour une vitesse de coulée de 35 mm par minute. Les figures 4A et 4B sont des courbes établies en considérant respectivement différentes fréquences, et représentant une évolution d'un angle, dit angle différentiel, le long du front, l'angle différentiel représentant une différence entre les angles, par rapport à la verticale, respectivement formés par la force de Lorentz moyenne et le front. Sur la figure 4A, on a considéré une vitesse de coulée de 55 mm par minute. Sur la figure 4B, on a considéré une vitesse de coulée de 35 mm par minute.

La figure 4C montre un abaque permettant de définir un domaine de fonctionnement en fonction de la vitesse de coulée (axe des abscisses) et de l'épaisseur de la coulée (axe des ordonnées), pour obtenir une orientation de la force de Lorentz selon l'invention, dans une zone médiane s'étendant entre T/2 ± T/4.

La figure 5A représente un profil horizontal, parallèlement à un axe définissant l'épaisseur d'un lingot, représentatif d'une concentration en un élément d'alliage dans un lingot, ainsi que des profils lissé, obtenu par différents lissages du profil horizontal.

La figure 5B montre un profil représentatif de la macro-ségrégation intermittente affectant un lingot obtenu par une coulée.

Les figures 5C et 5D sont des profils représentatifs de la macro-ségrégation intermittente, représentés dans un espace de Fourier. L'axe des abscisses correspond à la période spatiale, exprimée en mm. Les profils ont été obtenus à partir de lingots respectivement formés avec et sans mise en oeuvre de l'invention.

EXPOSE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS

Les figures IA et IB illustrent une lingotière permettant une mise en oeuvre de l'invention. Dans cet exemple, un alliage d'aluminium 1 s'écoule dans une lingotière 2, à travers une ouverture 2i. La coulée s'effectue selon un axe Z vertical, à travers la lingotière. La lingotière est délimitée par une enceinte périphérique dont la section, dans un plan horizontal XY, est parallélépipédique. La lingotière définit un cadre, parallèlement à un axe longitudinal Y, selon une largeur W, et, parallèlement à un axe transversal X, en définissant une épaisseur T. La largeur W est supérieure à l'épaisseur T. L'épaisseur T correspond à une distance entre deux parois verticales 2p délimitant la lingotière 2. La coulée forme un lingot parallélépipédique. Un plan, dit plan médian M, s'étend à mi-épaisseur (T/2), parallèlement à l'axe vertical Z et à l'axe longitudinal Y du lingot. L'épaisseur T est de préférence comprise entre 300 mm et 750 mm. On a constaté que les macroségrégations intermittentes apparaissent de façon marquée lorsque l'épaisseur T dépasse 300 mm. Dans les exemples ou simulations évoqués dans cette description, on a considéré une épaisseur T égale à 525 mm. La largeur W est égale à 1650 mm. La longueur, selon l'axe vertical, peut atteindre plusieurs mètres, par exemple entre 3 et 10 mètres.

Un fluide de refroidissement 3, par exemple de l'eau, s'écoule contre la paroi du lingot solidifié. Ce procédé est connu en tant que coulée semi-continue par refroidissement direct (« Direct- Chili Casting »). Un faux-fond 4 est translaté de façon à s'éloigner de l'ouverture 2i au cours de la coulée. La vitesse de translation du faux-fond correspond à une vitesse dite de coulée V.

Sous l'effet du refroidissement, une zone d’alliage solide ls se forme, à proximité de l'enceinte refroidie, autour d'une zone d’alliage liquide 1b, désignée par le terme « marais ». L'interface entre le marais 1b et la zone solide ls forme un front 10. A l'issue du refroidissement, le lingot, également désigné par le terme « produit », est formé. Le front 10 présente une pente, par rapport à la verticale, variable en fonction de l’épaisseur. On appelle l’angle du front un angle a entre la tangente au front, en un point, et la verticale, c'est-à-dire l'axe Z. Plus l'angle du front a est faible, plus la tangente au front est orientée verticalement. L'angle du front est a représenté sur la figure 2. L'angle du front varie selon l'axe transversal X.

Sur l'exemple représenté sur la figure IA, le front 10 est stationnaire : il reste sensiblement à la même position, tandis que la matière se déplace verticalement, à la vitesse de coulée.

Dans les procédés selon l'art antérieur, des macro-ségrégations intermittentes 11 se forment dans le lingot, et en particulier dans une plage d'épaisseur comprise entre T/2,3 et T/3,3 de part et d'autre du plan médian M.

L'alliage est un alliage d'aluminium de la série 1XXX, 2XXX, 3XXX, 4XXX, 5XXX, 6XXX, 7XXX ou 8XXX. Les alliages dont la fraction massique en éléments d'alliage est supérieure à 1%, voire supérieure à 3% ou encore à 5% sont particulièrement adaptés à un procédé selon l'invention, car plus cette fraction massique de ces éléments d'alliages est importante, plus les ségrégations intermittentes sont marquées. L'invention est particulièrement avantageuse pour les produits en alliage de type 2XXX, 5 XXX, 6XXX ou 7XXX.

On a représenté un générateur de champ magnétique 5, apte à générer un champ magnétique B destiné à être appliqué à l’alliage liquide 1b. Un tel générateur peut être un aimant permanent mobile ou un inducteur électromagnétique, ce dernier générant un champ magnétique lorsqu'il est parcouru par un courant électrique, dit courant d'induction.

Le champ magnétique B appliqué à l’alliage liquide 1b est un champ alternatif, d'amplitude B ₀ et de fréquence /. L'effet de ce champ magnétique est d'appliquer un brassage du marais, sous l'effet de forces de Lorentz s'appliquant sur l’alliage liquide 1b. En effet, l'application d'un champ magnétique B engendre, dans l'alliage, la formation d'un courant électrique / résultant, au sein de l’alliage liquide 1b soumis au champ magnétique, en l'apparition d'une force de Lorentz F telle que F oc J x B où x désigne l'opérateur produit vectoriel, et oc désigne une relation de proportionnalité. La force de Lorentz présente une composante oscillante à une fréquence double de la fréquence / du champ magnétique.

Du fait de l'épaisseur de la lingotière, la fréquence / est choisie de manière à permettre une pénétration suffisante du champ magnétique B dans le marais, de façon à obtenir un brassage efficace du liquide. La fréquence / est d'autant plus faible que l'épaisseur du produit est élevée. Dans le cas d'un alliage d'aluminium d'épaisseur supérieure à 300 mm, la fréquence est de préférence inférieure à 5 Hz, et de façon encore plus avantageuse inférieure à 2 Hz ou à 1Hz.

Le générateur 5 est apte à générer un champ magnétique glissant. Le terme champ magnétique glissant désigne un champ magnétique alternatif, dont l'amplitude B ₀ n'est pas constante, et varie entre une valeur minimale et une amplitude maximale l'amplitude maximale gmax _S0 propageant selon un axe de propagation D, de préférence rectiligne et orienté selon l’axe vertical Z. Par amplitude, on entend la valeur maximale que prend une grandeur périodique. L'application d'un champ magnétique glissant se traduit, en un point du marais, par une variation périodique de son amplitude. Ainsi, l'amplitude du champ magnétique en un point du marais varie en fonction du temps, entre une amplitude minimale et une amplitude maximale B™ ^ax .

Le générateur de champ magnétique glissant 5 peut être constitué par plusieurs inducteurs électromagnétiques disposés autour de l'enceinte périphérique. Sur la figure IB, on a représenté trois paires 5i, 5 ₂ et 5 ₃ d’inducteurs électromagnétiques. La partie supérieure 5s des inducteurs est positionnée au niveau de la surface libre l _sup de l’alliage liquide. Chaque inducteur présente un déphasage de 90° entre la partie supérieure 5s et la partie inférieure 5i. Dans les exemples décrits ci-après, on a utilisé un dispositif tel que décrit dans la demande WO2014/155357, et plus précisément selon la configuration décrite en lien avec les figures 19 et 20A, dans laquelle trois inducteurs, orientés selon l'axe vertical Z, sont disposés face à chaque grande face du lingot. Par grande face d’un lingot, il est entendu une face s'étendant selon l'axe longitudinal Y et l'axe vertical Z. Chaque inducteur comporte une ou plusieurs bobines. Dans cet exemple, chaque bobine est disposée à une distance de 185 mm de la lingotière. D'une façon générale, la distance entre une bobine d'un inducteur et la lingotière peut être comprise entre 130 mm et 200 mm.

Le champ magnétique glissant peut également être généré à partir d'un ou plusieurs aimants permanents disposés à la périphérie de la lingotière et mis en mouvement par rapport à cette dernière. Par exemple, il est possible de générer un champ magnétique glissant en faisant tourner un aimant permanent.

La distance l séparant deux maximas d'amplitude du champ magnétique est la longueur d'onde du champ magnétique glissant. La figure IC représente un exemple de distribution de l'amplitude B ₀ d'un champ magnétique glissant le long d'un axe de propagation D à un instant t (trait continu), et à un instant t + Dί (trait pointillé). Sur l'axe de propagation, on a représenté une coordonnée r correspondant à la position d'un point du marais. La figure 1D illustre une évolution temporelle d'un champ magnétique alternatif glissant en ce point. Cette évolution est périodique, et s'effectue selon une période P. L'application d'un champ magnétique glissant se traduit, en un point du marais, par une variation périodique de son amplitude. Ainsi, l'amplitude du champ magnétique en un point du marais varie en fonction du temps, entre une amplitude minimale et une amplitude maximale

La force de Lorentz, en un point de coordonnées r du marais, comporte une composante oscillante, modulée selon une fréquence 2/ double de la fréquence du champ magnétique. L'amplitude F ₀ de la densité de force de Lorentz oscillante peut être explicitée selon l'expression:

1

F ₀ (r) = - afÀBo Çr) (1), où s désigne la conductivité électrique.

L'amplitude de la force de Lorentz, en un point r du marais dépend du carré de l'amplitude du champ magnétique appliqué en ce point.

Les inventeurs ont constaté qu’on peut limiter l’apparition de macro-ségrégations intermittentes 11 en ajustant le brassage électromagnétique lorsque la force de Lorentz moyenne s'appliquant sur l'alliage liquide 1b s'écoulant au niveau du front 10, présente une certaine orientation, et cela dans une zone médiane du marais, s'étendant symétriquement de part et d'autre du plan médian M, entre T/2 - T/4 et T/2 + T/4. L'épaisseur de la zone médiane M correspond à la moitié de l'épaisseur du lingot. Par force de Lorentz moyenne, on entend une moyenne de la force de Lorentz durant une période P du champ magnétique. La période P du champ magnétique correspond à l'intervalle de temps séparant deux maxima ou minima successifs du champ magnétique, comme représenté sur la figure 1D. La période P correspond à l'inverse de la fréquence /. Les inventeurs ont observé que dans la zone médiane, à l'interface du marais 1b et de l'alliage solide ls, au niveau du front 10, l'angle b formé par la force de Lorentz moyenne F, par rapport à la verticale, doit être avantageusement inférieur à l'angle a du front, précédemment évoqué, correspondant à l'angle entre la tangente au front et la verticale, les angles a et b étant orientés dans le même sens. Autrement dit, il est avantageux que la direction de la force de Lorentz moyenne F soit plus verticale que la direction de la tangente au front. Ainsi, dans la zone médiane, à l'interface entre le marais et le front, la force de Lorentz moyenne F est orientée vers l'alliage solide ls, et non vers l'alliage liquide 1b. Cette condition est illustrée sur la figure 2. Sur cette figure, on a représenté une coupe d'une coulée selon un plan XZ. La position du plan médian M correspond à l'épaisseur T/2.

L'effet de plaquage de l'alliage liquide 1b contre le front 10 est obtenu à l'interface entre l'alliage liquide et le front 10. De préférence, cet effet est obtenu dans une couche, dite couche d'interface, adjacente du front, dont l'épaisseur est inférieure à 2cm, ou à 1 cm ou à 5 mm. L'épaisseur est définie selon une direction perpendiculaire au front. C'est en effet dans une telle couche que l'alliage liquide, au contact de l'isotherme froide formée par le front, devient localement plus dense. Il se forme alors une couche fluidique le long du front, dans laquelle l'écoulement de l'alliage liquide est accéléré, et peut s'éloigner du front, conduisant à l'apparition de tourbillons. C'est principalement dans cette couche qu'il est nécessaire d'appliquer une force de Lorentz plaquant l'alliage liquide contre le front, afin de maintenir l'alliage liquide contre le front, de façon à limiter la formation de macro-ségrégations intermittentes.

Dans ces conditions particulières, la force de Lorentz F tend à plaquer l'alliage liquide 1b du marais contre le front 10, ce qui limite la formation de macro-ségrégations intermittentes. La force de Lorentz est dite plaquante. Elle permet la formation d'un flux laminaire convectif le long de tout ou partie du front 10, limitant l'apparition de macro-ségrégations intermittentes.

De préférence, un seul champ magnétique glissant dont l'amplitude est variée à une fréquence f est appliqué pour obtenir l'effet de plaquer l'alliage liquide 11 du marais contre le front 10.

Comme décrit par la suite, le phénomène de plaquage de l’alliage liquide par la force de Lorentz contre le front 10 est d’autant plus marqué que la vitesse de coulée V et la fréquence / sont faibles.

L’homme du métier sait modéliser l’orientation d’une force de Lorentz moyenne F, s'exerçant au cours d'une période, dans le marais. Des codes de calculs, par exemple le module AC/DC du code COMSOL, permettent une telle modélisation, en se basant notamment sur les caractéristiques des inducteurs (dimensions, nombre d'ampères-tours, pas polaire, positionnement par rapport à la lingotière), la géométrie de la lingotière et des paramètres opérationnels comme la vitesse de coulée ou la fréquence du champ magnétique. Les simulations permettent de modéliser le brassage électromagnétique de l'alliage liquide et d'estimer une évolution temporelle de la force de Lorentz F, en tout point du marais, durant une période. Par évolution, on entend aussi bien l'évolution de l'intensité que l'évolution de la direction. Il est alors possible de déterminer l'orientation et l'intensité de la force de Lorentz moyenne s'appliquant en un point du marais, durant une période P du champ magnétique.

Les figures 3A, 3B, 3C et 3D montrent l'orientation de la force moyenne de Lorentz, obtenue par simulation, en différents points d'un front 10. Sur ces figures, on a représenté une partie d'un front 10, selon un plan XZ, s'étendant entre le plan médian M (abscisse x = 0) et une paroi de la lingotière (abscisse x = 0,26). L'axe des abscisses représente une position selon l'axe transversal X et l'axe des ordonnées représente une position selon l'axe vertical Z. Les fréquences considérées sont respectivement égales à 5Hz (figure 3A), 1 Hz, 0.5 Hz et 0.2 Hz (figure 3D), la vitesse de coulée étant de 55 mm/min. On observe qu'en considérant une même position sur le front 10, plus la fréquence / est faible, plus l'angle b de la force de Lorentz moyenne F est faible. Ainsi, en une même position sur le front, la force de Lorentz moyenne F tend à s'incliner verticalement au fur et à mesure que la fréquence diminue.

Par ailleurs, comme précédemment décrit la force de Lorentz est plaquante lorsque l'angle b de la force de Lorentz moyenne F est inférieur à l'angle a du front. On a représenté, sur chaque figure, une plage d'épaisseur Dc, s'étendant à partir du plan médian M, dans laquelle l'effet de force plaquante est obtenu. Cette plage de largeur est matérialisée par une double flèche. On observe que plus la fréquence diminue, plus la plage d'épaisseur Dc s'étend, à partir du plan médian M (x = 0), correspondant à l'épaisseur T/2, vers la paroi de la lingotière. L'effet technique de minimisation des macro-ségrégations intermittentes apparaît dans cette plage d'épaisseur Dc, et il est préférable qu'elle soit la plus large possible, en englobant de préférence la plage d'épaisseur T/2,3 - T/3,3, cette dernière étant généralement propice à la formation de macro ségrégations intermittentes. Sur ces figures, la plage d'épaisseur T/2,3 - T/3,3 correspond à l'intervalle entre x = 0,03 m et 0,1 m. La coordonnée T/4 correspond à x = 0,13 m. Les figures 3E, 3F, 3G et 3H montrent respectivement l'orientation moyenne de la force de Lorentz, obtenue par simulation, en différents points d'un front 10, les fréquences étant respectivement égales à 5Hz, 1 Hz, 0.5 Hz et 0.2 Hz.

Sur les figures 3A à 3H, on a représenté des forces dites normalisées, chaque force étant normalisée par son intensité, de façon à mieux faire apparaître l'évolution de l'orientation de la force moyenne de Lorentz sur le front 10, en fonction de la position le long du front.

La comparaison des figures 3A à 3H montre que plus la fréquence est faible, plus la plage d'épaisseur Dc selon laquelle la force de Lorentz devient plaquante est importante. La plage d'épaisseur Dc s'étend à partir du plan médian M vers la paroi de la lingotière, selon l'axe transversal X. Elle s'élargit au fur et à mesure que la fréquence diminue. Par ailleurs, à une même fréquence, plus la vitesse de coulée est faible, plus la plage d'épaisseur selon laquelle la force de Lorentz est plaquante est importante. On a donc intérêt à privilégier à la fois une fréquence / faible, de préférence inférieure à 2 Hz, voire à 1 Hz, et une vitesse de coulée faible, de préférence inférieure à 45 mm/min, voire à 40 mm/min.

Sur la base de simulations telles qu'illustrées sur les figures 3A à 3H, les inventeurs ont déterminé une évolution, selon l'axe transversal X, d'un angle Q, dit angle différentiel, représentant une différence entre, en un même point, l'angle du front a et l'angle de la force de Lorentz b, soit q = a - b. On rappelle que les angles a et b sont orientés dans le même sens. Lorsque Q > 0, a > b : la force de Lorentz est davantage inclinée que la tangente au front. Elle est donc plaquante.

Les figures 4A et 4B montrent l'évolution de l'angle différentiel Q en fonction d'une position x sur le front 10, le long de l'axe transversal X. L'axe des abscisses représente la position x, exprimée en mètre, sur le front le long de l'axe transversal. De même que sur les figures 3A à 3H, la coordonnée x=0 correspond à la position T/2, la coordonnée x = 0.26 correspondant à la paroi 2p de la lingotière. Les figures 4A et 4B ont été obtenues en considérant respectivement une vitesse de coulée de 55 mm/min et de 35 mm/min. Sur chaque figure, les simulations de l'orientation de la force de Lorentz moyenne F ont été réalisées en considérant successivement plusieurs fréquences /, comprises entre 5 Hz et 0,2 Hz. Sur chaque figure, on a représenté, en traits horizontaux mixtes, des droites correspondant aux valeurs Q = 0° et Q = 4° lorsque la fréquence est égale à 1 Hz. La force de Lorentz est plaquante lorsque Q > 0, mais les inventeurs considèrent qu'il est avantageux que Q > 4°. On peut ainsi définir, sur chaque configuration, une plage d'épaisseur, dans laquelle la force de Lorentz est plaquante, à partir du plan médian M (épaisseur T/2). On a représenté, sur les figures 4A et 4B, les plages d'épaisseur Dc (Q = 0°) et Dc (Q = 4°) pour / = 1 Hz. De façon similaire aux figures 3A à 3H, on observe que les plages d'épaisseurs sont d'autant plus importantes que la fréquence est faible et que la vitesse de coulée est faible. Les résultats optimaux sont obtenus pour / < 2 Hz, voire / < 1 Hz, et lorsque la vitesse de coulée est de 35 mm. Plus la fréquence est faible, plus l'intensité de la force de Lorentz s'appliquant sur l'alliage liquide limitrophe du front, dans la plage d'épaisseur T/2 - T/4, est importante. Cela renforce l'intensité de la force de Lorentz et augmente l'effet technique recherché. Autrement dit, pour obtenir une réduction significative des macro-ségrégations intermittentes, une orientation de la force de Lorentz telle que précédemment décrite est nécessaire. Toutefois, son intensité doit être suffisante pour obtenir un plaquage de l'alliage liquide 1b contre le front 10. C'est pourquoi il est préférable de moduler le champ magnétique selon une fréquence / relativement faible.

A l'aide de simulations prenant en compte différentes épaisseurs de coulée, les inventeurs ont établi un abaque, représenté sur la figure 4C, permettant de définir une plage de fonctionnement pour laquelle la force de Lorentz est considérée comme suffisamment plaquante, c'est-à-dire lorsque l'angle différentiel Q est supérieur ou égal à 4°. Cet abaque fait l'objet de la figure 4C. L'axe des abscisses et des ordonnées de l'abaque correspond respectivement à la vitesse de coulée V et à l'épaisseurT du lingot. L'épaisseur étant déterminée, l'abaque permet de définir la vitesse de coulée et la fréquence maximale permettant de se placer dans les conditions de mise en oeuvre de l'invention. Sur cet abaque, on a matérialisé, par des croix, les conditions d'essais expérimentaux décrits par la suite, en lien avec le tableau 1.

Cet abaque dépend du nombre et des caractéristiques des inducteurs, de leur positionnement par rapport à la lingotière, des dimensions de cette dernière et des paramètres opérationnels de l'installation, en particulier relatifs au du champ magnétique appliqué. L'homme du métier, connaissant les caractéristiques de l'installation, peut procéder à des simulations visant à obtenir l'orientation de la force de Lorentz moyenne F en différents points le long du front 10, selon l'axe transversal X. Il peut alors déterminer une plage de fréquence et une plage de vitesse de coulée pour lesquelles on obtient Q > 0°, ou avantageusement Q > 4°, de façon à mettre en oeuvre l'invention et obtenir l'effet technique désiré, c'est-à-dire une limitation de la macro ségrégation intermittente entre T/2 et T/4, et plus particulièrement entre T/2,3 et T/3,3.

Des essais expérimentaux ont été mis en oeuvre, en utilisant des alliages de type 7010 et 7035, l'épaisseur T du lingot étant égale à 525 mm. Chaque coulée a été effectuée en utilisant une fréquence fixe. Entre les différentes coulées, on a fait varier la fréquence / entre 0,250 Hz et 0,850 Hz. Chaque coulée a été effectuée en mettant en oeuvre une vitesse de coulée fixe. Entre les différentes coulées, la vitesse de coulée a été variée entre 35 mm/min et 55 mm/min.

Le tableau 1 synthétise les conditions expérimentales d'essais, dont cinq mettent en oeuvre l'invention. Les essais 1 à 3 ont été effectués à partir d'un alliage 7010, tandis que les essais 4 à 6 ont été effectués à partir d'un alliage 7035. Les paramètres de chaque essai sont la fréquence / et la vitesse de coulée V. Au cours de chaque essai, on a fabriqué un lingot de format 1650 mm x 525 mm.

Les essais Ref 7010 et Ref 7035 sont des essais de référence, réalisés sans brassage électromagnétique.

Tableau 1

Chacun de ces essais est représenté par une croix sur l'abaque de la figure 4C. On constate que les essais 1, 2, 3, 4 et 5 sont considérés comme mettant en oeuvre l'invention si l'on se réfère à l'abaque représenté sur la figure 4C. Dans ces conditions, on obtient une force de Lorentz plaquante entre T/2 et T/4. L'essai 6 est en dehors de l'invention, car compte tenu de l'épaisseur du lingot et de la vitesse de coulée, l'abaque indique une fréquence maximale de 0.1 Hz, alors que la fréquence utilisée lors de cet essai s'élevait à 0.475 Hz.

Les lingots formés ont été caractérisés en analysant des profils horizontaux (selon l'axe TC) d'une radiographie réalisée à mi-largeur selon un plan vertical L/TC, ces profils étant étalonnés pour obtenir la distribution spatiale d'éléments d'alliage lourds de type Zn et/ou Cu. Pour l’alliage 7010, les éléments d’alliages considérés sont Zn et Cu. Pour l’alliage 7035, l’élément d’alliage considéré est Zn. Les termes L et TC, connus de l'homme du métier, correspondent à la dimension du lingot selon l'axe vertical et selon l'axe dit « travers court ». Une macro ségrégation intermittente peut être caractérisée par un écart maximal en masse d'un élément d'alliage dans la zone la plus marquée par les macro-ségrégations intermittentes, c'est-à-dire entre T/2,3 ou T/3,3. Comme précédemment indiqué, T/n désigne une distance par rapport à un bord du lingot, selon un axe horizontal, T/2 correspondant au centre du lingot.

Pour quantifier la macro-ségrégation intermittente, les profils de concentration ont été traités comme illustré sur la figure 5A. Le profil obtenu avec une résolution de 0,1 mm est le profil brut référencé profil A, et représenté en pointillés sur la figure 5A. Un premier lissage est effectué, selon une moyenne glissante sur 2 mm, le profil lissé obtenu étant référencé profil B, représenté par un trait plein sur la figure 5A. Ce lissage permet d’atténuer l’effet de micro-ségrégations, qui correspondent à des fluctuations locales de concentrations.

Un deuxième lissage du profil brut est effectué, selon une moyenne glissante de 50 mm, pour s'affranchir des macro-ségrégations intermittentes, et obtenir un profil de ségrégation continue centrale, ou profil de base, référencé profil C. Ce profil est représenté en tirets sur la figure 5A. Le profil de base C est soustrait du profil lissé B pour obtenir un profil dit corrigé D, représentatif de la macro-ségrégation intermittente. Ce dernier est représenté sur la figure 5B. Comme on peut le voir sur la figure 5B, le profil corrigé D est principalement représentatif de la macro ségrégation intermittente, et n'est pas ou peu affecté par la macro-ségrégation continue centrale et par les micro-ségrégations. La macro-ségrégation intermittente est caractérisée en déterminant un écart de concentration AC _meso = C _max — C _min . C _max et C _min désignent respectivement les concentrations maximales et minimales mesurées sur le profil corrigé. On considère qu’une valeur de AC _meso inférieure à 75% d’une valeur de référence, obtenue sur un lingot coulé sans brassage, constitue un résultat satisfaisant, c'est-à-dire une réduction significative de la macro-ségrégation intermittente.

L'écart de concentration AC _meso a été mesuré à W/4 et/ou à W/2 c'est-à-dire selon des plans perpendiculaires au plan médian, parallèle à l'axe transversal X et dont la coordonnée, selon l'axe longitudinal Y, est respectivement égale à W/4 et W/2.

Le profil corrigé D a été normalisé par la concentration nominale en élément d'alliage considéré (Zn et Cu pour l'alliage 7010, Zn pour l'alliage 7035). Le profil ainsi normalisé a été analysé par transformée de Fourier, de façon à identifier la période spatiale caractérisant la macroségrégation intermittente. Lorsque la macroségrégation intermittente est importante, on observe généralement un ou plusieurs pic d'amplitude dans la plage 8 mm - 25 mm. On détermine un critère adimensionnel d'intensité spectrale z qui correspond à l'amplitude maximale des composantes de Fourier dans une plage de période spatiale comprise entre 8 et 25 mm. Les produits obtenus par le procédé selon l'invention ont de préférence un critère z inférieur à 0.01, de préférence inférieur à 0.007 et de manière préférée inférieur à 0.005. Le critère z a été mesuré à W/4 et/ou à W/2. Les figure 5C et 5D montrent respectivement un exemple d’une distribution de périodes spatiales comprises entre 0 et 30 mm pour les exemples 4 et 6, sur plusieurs profils. Sur ces figures, l’axe des ordonnées représente l’intensité spectrale, tandis que l’axe des abscisses représente la période spatiale, exprimée en mm.

Sur les lingots coulés sans brassage, correspondant aux mesures de référence, le critère z est supérieur à 0.01, avec des valeurs typiques de 0.012 à W/4 ou 0.014 à W/2.

Les essais 1, 2, et 3 ont été obtenus en utilisant un alliage 7010. La vitesse de coulée était égale à 40 mm/min pour les essais 1 et 2 et à 45 mm/min pour l’essai 3. La fréquence / était respectivement égale à 0,475 Hz, 0,850 Hz et 0,250 Hz. Sur chacun de ces essais, on a obtenu un écart de concentration AC _meso significativement inférieur aux mesures de références:

pour les essais 1 et 2, AC _meso à W/2 est respectivement de 0,44 et 0,50, la valeur de référence étant 0,71 ;

pour l’essai 3, AC _meso à W/4 est de 0,56 la valeur de référence étant 0,82.

Sur chacun de ces essais, le critère d’intensité spectrale z dans la plage de période spatiale comprise entre 8 et 25 mm est systématiquement inférieur à 0,001.

Les essais 4, 5, et 6 ont été obtenus en utilisant un alliage 7035. La vitesse de coulée était égale à 35 mm/min pour les essais 4 et 5 et 55 mm/min pour l’essai 6. La fréquence / était respectivement égale à 0,475 Hz, 0,270 Hz et 0,475 Hz. Sur les essais 4 et 5, on a obtenu un écart de concentration AC _meso significativement inférieur aux mesures de références :

pour les essais 4 et 5, AC _meso à W/4 est respectivement de 0,41 et 0,46, la valeur de référence étant 0,75 ;

pour l’essai 4, AC _meso à W/2 est de 0,32 la valeur de référence étant 0,59.

Pour les essais 4 et 5, le critère d’intensité spectrale z dans la plage de période spatiale comprise entre 8 et 25 mm est inférieur à 0,001. L'essai 6, se situant hors invention, ne permet pas d'obtenir une réduction des macroségrégations intermittentes. Les valeurs obtenues sont comparables aux valeurs de référence.

L'invention pourra être mise en oeuvre pour la réalisation de lingots destinés à des composants pour lesquels les exigences en termes de qualité sont élevées, par exemple des composants liés à des applications dans le domaine aéronautique.